1、MEMS慣性器件調查報告一、概?述MEMS(Micro?Electro?Me?chanicalSystems)即微機電系統(tǒng)它屬于多學科交叉的新領域是融合微電子與精密機械加工的技術集微型機構、傳感器信號處理、控制等功能于一體的、具有信息獲取、處理和執(zhí)行等多功能的系統(tǒng)。完整的MEMS是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理和控制電路、通訊接口和電源等部件。組成的一體化的微型器件系統(tǒng)。其目標是把信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起組成具有多功能的微型系統(tǒng)

2、集成于大尺寸系統(tǒng)中從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動化、智能化和可靠性水平?；贛EMS技術生產的MEMS器件具有體積小、質量輕、成本低、抗沖擊、可靠性高等優(yōu)點在汽車、電子、家電、機電等行業(yè)以及軍事領域有著極為廣闊的應用前景。飛航導彈或無人機的控制系統(tǒng)一般采用自動駕駛儀或慣性導航系統(tǒng)兩種形式而這兩種系統(tǒng)均大量采用慣性傳感器其中動駕駛儀的慣性傳感器為陀螺儀慣性導航系統(tǒng)的慣性傳感器為加速度計和陀螺儀。采用MEMS慣性傳感器或慣性測量系統(tǒng)可以在一定程

3、度上降低成本、減小體積、提高性能并降低功耗。二、MEMS慣性器件工作原理（1）微型慣性測量組合(MIMU，MicroInertialMeasurementUnit)工作原理采用三維集成微型加速度測量敏感軸和三個正交的微型陀螺儀進行二次集成構成一個正交三軸組合測量系統(tǒng)。微陀螺儀用來測量角速度信息，通過坐標變換矩陣，從而得到被測運動載體的姿態(tài)信息；微加速度計用來測量加速度信息，通過坐標變換矩陣，進而得到被測運動載體的姿態(tài)信息。示意圖如下（2

4、）MEMS陀螺儀工作原理物理上的哥氏力現象是指轉動坐標系中的運動物體會受到與轉動速度方向垂直的慣性力的作用。為了解釋哥氏效應，我們可假設在一個轉動的圓盤上有一個小球如圖21所示，質量為m，它從圓盤的中心向邊緣以速度1，作直線運動，若一個觀察者坐在圓盤上觀察這個小球，會看到它所形成的實際軌跡不是直線，而是曲線。小球有明顯的加速度，這個加速度即哥氏加速度，9可由盤子的角速度矢量n和小球作直線運動的速度矢量v的矢量積得出：α=2VXΩ(21)

5、雖然沒有真正的力作用在小球上，但對于觀察者來說，伴隨著旋轉圓盤的一種表觀作用力已經產生，它直接與旋轉速率成正比?？梢杂洖镕=2m(vo)(2—2)1.2微型陀螺儀的研制現狀目前國外研制出了一些用于軍事的微機械陀螺主要如下:1)BEI公司生產出的QRS11微型陀螺儀是一種高性能的單軸、固態(tài)石英音叉微機械振動陀螺儀該陀螺的主要性能指標為:測量范圍為?50(#)s?100(#)s?200(#)s?500(#)s?1000(#)s、恒溫100s

6、內穩(wěn)定值為?0.002(#)s、分辨率為0.004(#)s、質量為60g、外形尺寸為?=39mmH=17mm。目前該陀螺儀已應用于捕食者無人機和幼畜空對地導彈上[2]。此外在長弓阿帕奇直升機和西科斯基的S?92直升機的慣性系統(tǒng)的穩(wěn)定平臺中也使用了QRS11陀螺[3]。2)波音公司的空間系統(tǒng)分部和噴氣推進實驗室(JPL)研制出了兩種微機械陀螺其中尺寸較小的為全硅結構敏感部件尺寸為4mm%4mm其偏置穩(wěn)定性可達1(#)h~10(#)h另一種

7、尺寸較大的為混合結構敏感部件尺寸為20mm%20mm其偏置穩(wěn)定性可達0.01(#)h~0.1(#)h。該陀螺的壽命可達15年JPL的微機械陀螺的主要應用目標是航天如微小衛(wèi)星。3)英國BASE公司研制了一種電磁驅動的振動環(huán)式微機械陀螺尺寸為10mm%10mm其軍用產品的偏置穩(wěn)定性達到了2(#)h并已經應用于英軍的垂直發(fā)射海狼導彈、中程反坦克導彈及美軍的超遠程制導炮彈。從國外的應用來看微機械陀螺加GPS定位的小型無人機已經經過了飛行試驗。2

8、、國內MEMS器件和慣性系統(tǒng)的發(fā)展我國微機械的研究始于1989年以跟蹤國外為主。目前在新原理器件、通用微器件、以及初步應用等方面取得了較大的進展。20世紀90年代末完成的混合集成單軸微機械加速度計和三軸微機械加速度計以及初步真空封裝的微機械陀螺儀在精度上滿足了制導炮彈的要求。目前國內已有了微傳感器的樣機并已取得了一些數據。2?武器系統(tǒng)對慣性器件及慣性測量系統(tǒng)的要求慣性傳感器的性能指標包括了測量范圍、測量誤差、準備工作時間等方面不同的武器

9、系統(tǒng)對慣性傳感器性能指標的要求有所不同。2.1?測量范圍慣性傳感器應能敏感武器系統(tǒng)在飛行過程中的所有角速度和加速度的變化值不同的武器系統(tǒng)對慣性傳感器的測量范圍要求不同。一般來說亞聲速飛航導彈的飛行姿態(tài)比較平穩(wěn)軸向最大過載小于15g因此選擇陀螺測量范圍為?150(#)s、加速度計測量范圍為?15g的傳感器即可滿足要求對超聲速導彈而言慣性傳感器的測量范圍應適當增大。以某型空空導彈為例該導彈的彈體最大角速度為?250(#)s、彈體最大加速度為

10、30g因此需要選擇大量程的傳感器來適應彈體運動的變化。2.2?測量誤差導彈或無人機的導航精度與任務時間成反比關系。任務時間越長慣性測量器件的測量誤差就越大導航精度就越低。導彈或無人機的飛行速度基本上是固定的不同的射程對傳感器的要求也不同。對采用自動駕駛儀的亞聲速飛航導彈陀螺測量誤差在0.4(#)min~2(#)min即可滿足要求。如:某型飛航導彈射程為35km最大飛行時間為150s其陀螺的測量誤差小于1.5(#)min若射程增大到小于0